Question

8．纳米级Cu₂O由于具有优良的催化性能而备受关注，下表为制取纳米级Cu₂O的三种方法：
方法Ⅰ用炭粉在高温条件下还原CuO
方法Ⅱ电解法，反应为2Cu+H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$ Cu₂O+H₂↑．
方法Ⅲ用肼（N₂H₄）还原新制Cu（OH）₂
（1）工业上常用方法Ⅱ和方法Ⅲ制取Cu₂O而很少用方法Ⅰ，其原因是反应条件不易控制，若控温不当易生成Cu 而使Cu₂O产率降低．
（2）已知：
2Cu（s）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═Cu₂O（s）△H=-akJ•mol^-1
C（s）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO（g）△H=-bkJ•mol^-1
Cu（s）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CuO（s）△H=-ckJ•mol^-1
则方法Ⅰ发生的反应：2CuO（s）+C（s）═Cu₂O（s）+CO（g）；△H=-（a+b-2c）kJ/mol．
（3）方法Ⅱ采用离子交换膜控制电解液中OH^-的浓度而制备纳米Cu₂O，电解装置如图所示．
①阳极上的产物是Cu₂O
②阳极生成Cu₂O，其电极反应式为2Cu-2e^-+2OH^-=Cu₂O+H₂O
（4）方法Ⅲ为加热条件下用液态肼（N₂H₄）还原新制Cu（OH）₂来制备纳米级Cu₂O，同时放出N₂，该反应的化学方程式为4Cu（OH）₂+N₂H₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Cu₂O+N₂↑+6H₂O
（5）肼又称联氨，易溶于水，是与氨类似的弱碱，用电离方程式表示肼的水溶液显碱性的原因N₂H₄+H₂O?N₂H₅⁺+OH^-．
（6）向1L恒容密闭容器中充入0.1molN₂H₄，在30℃、Ni-Pt催化剂作用下发生反应N₂H₄（g）?N₂（g）+2H₂（g），测得混合物体系中，$\frac{n（{H}_{2}）+n（{N}_{2}）}{n（{N}_{2}{H}_{4}）}$（用y表示）与时间的关系如图所示．0-4min时间内H₂的平均生成速率v（H₂）=0.025mol/（L•min）；该温度下，反应的平衡常数=0.01．
（7）肼-空气清洁燃料电池是一种碱性燃料电池，电解质溶液时20%-30%的KOH溶液．肼-空气燃料电池放电时，负极的电极反应式是N₂H₄+4OH^--4e^-=4H₂O+N₂↑．电池工作一点时间后，电解质溶液的pH将减小 （填“增大”、“减小”、“不变”）．

Answer 1

分析 （1）碳粉在高温下易将氧化铜还原为铜单质；
（2）已知：①2Cu（s）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═Cu₂O（s）△H=-akJ•mol^-1
②C（s）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO（g）△H=-bkJ•mol^-1
③Cu（s）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CuO（s）△H=-ckJ•mol^-1
根据盖斯定律：①+②-2×③可得2CuO（s）+C（s）═Cu₂O（s）+CO（g）；
（3）根据在电解池的阳极发生失电子的氧化反应；
（4）根据“液态肼（N₂H₄）还原新制Cu（OH）₂来制备纳米级Cu₂O，同时放出N₂”来书写化学方程式；
（5）肼易溶于水，它是与氨类似的弱碱，则电离生成OH^-和阳离子；
（6）设平衡时n（N₂）=a，n（H₂）=2a，
n（N₂H₄）=0.1 mol-a，则：3a=3.0×（0.1 mol-a），a=0.05 mol，
υ（H₂）=$\frac{△c}{△t}$，K=$\frac{c（{N}_{2}）•{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（{N}_{2}{H}_{4}）}$计算；
（7）N₂H₄/空气在碱溶液中构成电池，N₂H₄在负极上发生氧化反应，O₂在正极上发生还原反应，负极的电极反应式为N₂H₄-4e^-+4OH^-=N₂↑+4H₂O，正极反应为：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，电池总反应为：N₂H₄+O₂=N₂↑+2H₂O，据此判断pH．

解答 解：（1）用炭粉在高温条件下还原CuO制备Cu₂O，若温度控制不当，易将CuO还原为Cu单质；
故答案为：Cu；
（2）已知：①2Cu（s）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═Cu₂O（s）△H=-akJ•mol^-1
②C（s）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO（g）△H=-bkJ•mol^-1
③Cu（s）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CuO（s）△H=-ckJ•mol^-1
根据盖斯定律：①+②-2×③可得2CuO（s）+C（s）═Cu₂O（s）+CO（g）△H=-（a+b-2c）kJ/mol；
故答案为：-（a+b-2c）kJ/mol；
（3）在电解池中，当阳极是活泼电极时，该电极本身发生失电子的反应，在碱性环境下，金属铜失去电子的电极反应为2Cu-2e^-+2OH^-=Cu₂O+H₂O；
故答案为：①Cu₂O；②2Cu-2e^-+2OH^-=Cu₂O+H₂O；
（4）根据题目信息：液态肼（N₂H₄）还原新制Cu（OH）₂来制备纳米级Cu₂O，同时放出N₂，得出化学方程式为：4Cu（OH）₂+N₂H₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Cu₂O+N₂↑+6H₂O；
故答案为：4Cu（OH）₂+N₂H₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2Cu₂O+N₂↑+6H₂O；
（5）肼易溶于水，它是与氨类似的弱碱，则电离生成OH^-和阳离子，
电离方程式为N₂H₄+H₂O?N₂H₅⁺+OH^-；
故答案为：N₂H₄+H₂O?N₂H₅⁺+OH^-；
（6）设平衡时n（N₂）=a，n（H₂）=2a，
n（N₂H₄）=0.1 mol-a，则：3a=3.0×（0.1 mol-a），a=0.05 mol．
υ（H₂）=$\frac{0.05mol×2}{1L×4min}$=0.025mol/（L•min），K=$\frac{c（{N}_{2}）•{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（{N}_{2}{H}_{4}）}$=$\frac{（0.05÷1）•（0.05×2÷1）^{2}}{0.1-0.05}$=0.01；

故答案为：0.025；0.01；
（7）根据燃料电池的特点分析，产生环保，电池总反应为N₂H₄+O₂=N₂↑+2H₂O，燃料在负极失电子发性氧化反应，氧气在正极得电子发生还原反应，在酸性条件下生成水，在碱性条件下生成氢氧根，所以正极反应为：O₂+4e^-+2H₂O═4OH^-，总反应减正极得到负极反应式：N₂H₄+4OH^--4e^-=4H₂O+N₂↑，原电池反应生成水，溶液浓度降低，电解质溶液的pH将降低；
故答案为：N₂H₄+4OH^--4e^-=4H₂O+N₂↑；减小．

点评 本题考查较为综合，涉及反应速率、平衡常数、平衡移动、盖斯定律以及电化学等知识，题目难度中等，注意把握电化学原理结合题意判断．